SelectMap接口配置硬件设计实现 - Leon3软核的FPGA SelectMap接口配置设计

2.2 SelectMap接口配置硬件设计实现

　　本文设计的SelectMap接口配置系统由两片FPGA和存储器(Flash)构成，如图1所示。设计中FPGA1选用了Xilinx公司Virtex系列芯片Vir-tex-5 XC5VSX95T，是需要进行配置的芯片。FPGA2内部嵌入了Leon3 CPU软核，可利用该CPU软核的存储控制器模块对Flash进行读写控制;利用FPGA内部丰富的资源，在FPGA2内部集成一个自定义的SelectMap接口控制IP核，主要用来产生FPGA的配置信号，这些SelectMap配置信号的状态由嵌入在FPGA2内部的CPU Leon3软核监控。该设计采用开源的Leon3软核CPU，并且充分利用了FPGA丰富的资源，与通常的SelectMap配置系统相比，设计成本低，设计较灵活。

　　

 

　　Flash存储器采用Intel公司的JS28F256P30T95，具有32 MB的存储空间，用来存储FPGA1的配置数据。因为Flash的每个地址空间中存储着16位数据，Leon3 CPU处理器读取Flash地址中的数据，然后把数据以字节形式传送到FPGA2。这个过程中，CPU处理器所在的FPGA2为FPGA1提供配置时序控制信号。这些控制信号的产生由FPGA2内部集成的SelectMap接口控制IP核实现。该IP核的功能模块由3个寄存器组成：配置寄存器、编程寄存器和输入寄存器。每次CPU对Flash进行读或写操作时，这些寄存器存储FPGA1的配置信号数据。其中配置寄存器和编程寄存器为只写寄存器，输入寄存器为只读寄存器。详细的逻辑框图如图2所示。CPU数据线在SelectMap接口控制IP核内部寄存器的构成如表2所列。

　　

 

　　该配置逻辑模块完成以下几方面的功能：启动FPGA1配置时序;向FPGA1内部传入配置数据;监测FPGA1是否正常配置。使用嵌入式CPU软核配置FPGA1的流程如下：

　　①启动FPGA1的配置时序。CPU地址线选中FPGA2内部编程寄存器，数据线输出FPGA1配置控制信号CS、WRITE和PROGRAM，将CS和WRITE置低，PROGRAM置高。

　　②监测FPGA的配置状态。CPU地址线选中FPGA2内部输入寄存器，接收FPGA1的输出信号INIT，若其值为高，那么CPU开始发出FPGA1的配置数据，否则持续检查INIT的值，直到其值为1。

　　③向FPGA1内传送配置数据。CPU地址线选中FPGA2内部配置寄存器，数据线Data[15：8]输出FPGA1的配置数据，Data[0]产生配置时钟CCLK，在CCLK的上升沿FPGA1接收配置数据。配置数据传送分两步，首先Data[0]置0，然后Data[0]置1。CCLK产生一个上升沿，在此过程中Data[15：8]数据保持不变。重复此过程，CPU输出FPGA1全部配置数据。

　　④检查FPGA1是否配置成功。FPGA1的配置数据被传送至结束时，CPU地址线选中FPGA2内部输入寄存器，接收FPGA1的输出信号DONE。若其值为高时，说明FPGA1配置成功，否则需要重新配置FPGA1。

　　SelectMap接口配置方式下FPGA的时序如图3所示。

　　

 

　　3 仿真及分析

　　FPGA2采用Xilinx公司的Virtex-5 XC5VFX70T，SelectMap接口控制IP核采用VHDL语言实现，嵌入式CPU软核采用的是欧空局开发的Lcon3软核。在XilinxISE 10.1平台下完成对Lcon3 CPU软核处理器、外围控制器及自定义SelectMap接口控制IP核集成的设计、综合，利用Modelsim SE6.0完成仿真。

　　SelectMap配置仿真波形如图4所示。由于FPGA1(Virtex-5 XC5VSX95T)的配置数据较大，仿真出完整的配置过程是不现实的，图中用5个字节的配置数据来代替FPGA的完整配置过程。为了把配置寄存器数据Data和并行配置的8位数据相对照，分离出了Data的高8位Data[15：8]。从图中可以看出，在一次完整的配置过程中，CS和WRITE为低，PROGRAM为高，当监测到INIT为高时发出配置数据，在配置时钟CCLK的上升沿接收8位配置数据，DONE信号为高电平指示配置完成。该仿真结果和SelectMap配置方式的FPGA时序一致，证明了本设计的正确性及可行性。

　　

 

　　结语

　　通过使用嵌入式Lcon3 CPU软核和FPGA及开发板上的存储器件，实现了对Xilinx公司的FPGA进行SelectMap配置的一种有效的方案。这种方法减少了外围器件的数目，增加了硬件系统地灵活性。此外，该方法除了可以完成FPGA芯片的配置外，更重要的是可以灵活地在线升级系统、修改和调试FPGA程序。如果存储空间够大，可以存储不同功能的FPGA程序代码，这样就可根据实际情况来加载不同代码，甚至通过通信接口也可以方便地实现远程下载代码和更新系统，使整个系统可在线配置，增强了系统的适用性和灵活性。